21世紀天然氣化工發(fā)展和電化學技術在新能源中的利用

第1頁共6頁21世紀，天然氣化工摘要：筆者通過闡述了天然氣的分布情況、利用結構和在化工領域中的發(fā)展趨勢。特別地介紹了國內(nèi)外當代天然氣化工技術進展。以便與以后的天然氣化工的研究方向。指出了天然氣化工發(fā)展的越來越受到人們的關注。關鍵字：天然氣、21世紀、化工、化工利用、化學加工、應用。前言天然氣組成以氣態(tài)低分子烴為主(主要成分是甲烷，同時也含有非烴氣體)。相對密度0.65。比空氣輕。具有無色、無味(天然氣公司皆遵照政府規(guī)定添加臭劑。例如四氫噻吩)、無毒、可燃的特性。天然氣的爆炸極限為5％～15％。天然氣燃燒后生成二氧化碳和水。產(chǎn)生的溫室氣體是煤炭燃燒的1／2。石油的2／3。由于天然氣熱值高，燃燒產(chǎn)物對環(huán)境污染少。是未來世界普遍采用的清潔能源。世界能源結構逐步發(fā)生變化。為此，各國政府也通過立法程序來傳達這種趨勢，發(fā)展天然氣工業(yè)已經(jīng)成為世界各國改善環(huán)境和維持經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的最佳選擇。世界天然氣化工從2O世紀2O年代至今一直保持穩(wěn)定發(fā)展，近2O多年發(fā)展速度加快，2O世紀7O年代世界約5％左右的天然氣資源用作化工原料，2O世紀8O年代上升到約10％。近年由于天然氣產(chǎn)量大幅增加。此比例重新回落至5％左右(不包括我國)，中東、東歐、拉丁美洲、東南亞等地區(qū)均在8％～l1％范圍目前世界石油資源日趨緊缺。油價不斷刷新高位價格記錄．而天然氣的儲量和產(chǎn)量增長均超過石油。為此天然氣化工利用受到許多國家和地區(qū)的重視。2.天然氣發(fā)展現(xiàn)狀2.121世紀世界能源現(xiàn)狀世界上蘊藏著相當豐富的天然氣資源，常規(guī)資源總量327.4×1012，非常規(guī)資源總量849×1012，總計約1176.4×1012。截至2001年初，已探明儲量149.48×1012，待探明儲量152.6×1012，估計到2030年探明儲量可達404×1012。天然氣資源盡管以極高的消費速度增長，世界范圍內(nèi)的天然氣供應仍可保證100多年。因此，在未來20～30年里，世界范圍內(nèi)的能源結構將發(fā)生重大變化。專家預測到本世紀中葉，世界能源結構中天然氣將從目前的25%增加到40%，而石油將由現(xiàn)在的34%下降到20%，煤炭基本保持在27%左右。抓住機遇，推動天然氣化工及綜合利用，是關系到解決未來能源的化工原料交替的戰(zhàn)略任務，也是造福子孫后代的重大決策。2.2我國天然氣的發(fā)展狀況我國是天然氣資源比較豐富的國家，地質(zhì)資源總量約為38×1012～39×1012，位居世界第十位，其中陸上為30×1012，海上為9×1012m3。已探明儲量約1.9×1012m3，僅占資源總量的5%左右，列世界第16位，天然氣資源勘探潛力很大。近年來，我國天然氣勘探取得重大突破，陸上已在川渝、陜甘寧、新疆和青海形成四大氣區(qū)；海上氣田以渤海、南海西部地區(qū)和東海西湖凹陷作為重點勘探和增加產(chǎn)量的地區(qū)。2001年我國天然氣產(chǎn)量294×108。預計2005年和2010年我國的天然氣產(chǎn)量分別將達到630×108和860×108，增長速度較快。隨著國家對經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展問題的日益重視，政府逐步開始制定和頒布鼓勵天然氣工業(yè)發(fā)展的政策，不僅把天然氣工業(yè)作為能源基礎建設列為國家投資重點和鼓勵發(fā)展的產(chǎn)業(yè)，還明確鼓勵外商到中國進行天然氣勘探開發(fā)、管道、儲運設施等領域的合資合作，并且將出臺一系列鼓勵天然氣開發(fā)利用的政策法規(guī)，包括融資政策、價格政策和稅收政策等。3.天然氣化工以天然氣為原料生產(chǎn)化學產(chǎn)品的工業(yè)，是燃料化工的組成部分。由于天然氣與石油同屬埋藏地下的烴類資源，有時且為共生礦藏，其加工工藝及產(chǎn)品相互有密切的關系，故也可將天然氣化工歸屬于石油化工。天然氣化工一般包括天然氣的凈化分離、化學加工（所含甲烷、乙烷、丙烷等烷烴的加工利用）。3.1天然氣的凈化分離凈化分離包括從地下采出的天然氣，在氣井現(xiàn)場，經(jīng)脫水、脫砂與分離凝析油后，根據(jù)氣體組成情況進行進一步的凈化分離加工。富含硫化物的天然氣，必須經(jīng)過脫硫處理，以達到輸送要求，副產(chǎn)品的硫磺作為硫資源，用以生產(chǎn)硫酸、二硫化碳等一系列硫化物；脫硫后，天然氣經(jīng)過深冷分離），可得到液化天然氣；若天然氣富含稀有氣體氦，可同時得到氦氣；若天然氣是富含乙烷以上烷烴的濕氣,則可同時得到天然氣凝析液,后者常采用精餾的方法，以回收乙烷、丙烷、丁烷，并且還有一部分凝析油。3.2化學加工包括在高溫下進行的天然氣熱裂解，主要生產(chǎn)乙炔和炭黑；天然氣蒸汽轉化或天然氣的部分氧化，可制得合成氣；天然氣經(jīng)過氯化、硫化、硝化、氨化氧化、氧化可制得甲烷的各種衍生物；濕性天然氣中的乙烷、丙烷、丁烷和天然氣凝析液等，經(jīng)蒸汽裂解或熱裂解可生產(chǎn)乙烯、丙烯和丁二烯；丁烷脫氫或氧化可生產(chǎn)丁二烯或醋酸、甲基乙基酮、順丁烯二酸酐等。4天然氣的利用天然氣化工比較發(fā)達的國家有美國、蘇聯(lián)、加拿大等。美國發(fā)展天然氣化工最早，產(chǎn)品品種和產(chǎn)量目前仍居首位。消耗于化學工業(yè)的天然氣，占該國化工行業(yè)所消耗原料和燃料總量的一半以上。20世紀70年代中期蘇聯(lián)調(diào)整了化學工業(yè)政策，加速發(fā)展天然氣化工生產(chǎn)。在西伯利亞天然氣產(chǎn)區(qū)新建生產(chǎn)裝置，大規(guī)模應用于合成氨、甲醇和乙烯、二硫化碳。目前，其天然氣化工產(chǎn)品產(chǎn)量僅次于美國。加拿大有豐富的天然氣資源，用于合成氨、尿素、甲醇和乙烯的生產(chǎn)。主要產(chǎn)品方向1980年世界主要國家的天然氣化工產(chǎn)品產(chǎn)量超過150Mt。年產(chǎn)10Mt以上的產(chǎn)品有合成氨、尿素、甲醇、甲醛和乙烯。在世界合成氨產(chǎn)量中，約80％以天然氣為原料。中國天然氣化工始于20世紀60年代初，現(xiàn)已初具規(guī)模，主要分布于四川、黑龍江、遼寧、山東、臺灣省等地。中國天然氣主要用于生產(chǎn)氮肥，其次是生產(chǎn)甲醇、甲醛、乙炔、二氯甲烷、四氯化碳、二硫化碳、硝基甲烷、氫氰酸和炭黑以及提取氦氣。70年代以來，已興建多座天然氣和油田伴生氣為原料的大型合成氨廠，以及一批中、小型合成氨廠，使全國合成氨生產(chǎn)原料結構中，天然氣所占的比例約達到30％；同時還興建了天然氣制乙炔工廠，以制造維尼綸和醋酸乙烯酯，乙炔尾氣用于生產(chǎn)甲醇。采用天然氣熱氯化法生產(chǎn)二氯甲烷以供感光材料工業(yè)作溶劑。目前，中國的天然氣一次化學加工產(chǎn)品總產(chǎn)量約為70年代初期的14倍。前景隨著世界對能源需要的增長，北海、中東、北非、南美和蘇聯(lián)的天然氣和石油伴生氣資源正在加速開發(fā)利用，世界天然氣產(chǎn)量穩(wěn)定增長，為天然氣化工蓬勃發(fā)展提供充足的原料和能源。4當代天然氣化工的技術進展4.1甲烷氧化偶聯(lián)制乙烯(OCM)自從1982年美國UCC公司發(fā)表了甲烷可直接氧化偶聯(lián)制得乙烯的第一篇報告以來，世界上40多個國家的實驗室對2000種催化劑進行篩選，使用了除周期表中零族以外的全部元素，其中以堿金屬、堿土金屬和稀有金屬氧化物的催化活性較好。目前甲烷轉化率20%～40%，C2+選擇性50%～80%，C2+烴收率在14%～25%之間。由于反應屬于表面引發(fā)氣相自由基與氣固相反應相結合的機理，而且乙烷的氧化脫氫能力又大于甲烷，因而甲烷轉化率與C2+選擇性之和難超過100%，即C2+收率不易突破25%，因此其經(jīng)濟效益還不能與石油制乙烯相比。此外在工程開發(fā)上，高溫強放熱反應使反應器設計困難，目前常用的反應器為薄層式兩段反應器。普遍認為單靠改進催化劑來突破C2+25%的收率很困難，只有在整個系統(tǒng)優(yōu)化的情況下，尋求最佳的技術經(jīng)濟方案，特別是一次通過不循環(huán)，直接利用稀乙烯的方案。產(chǎn)品氣中乙烯、乙烷的分離復雜，無論是深冷分離法、膨脹機法、絡合分離法、中冷油吸收法和吸附分離法，都有投資和成本偏大的問題。4.2甲烷直接合成芳烴甲烷無氧條件下催化脫氫芳構化(DHAM)制芳烴，是近年甲烷優(yōu)化利用的新方法之一。迄今報道催化劑多以HZSM-5分子篩為載體負載過渡金屬(Pd，Pt，Re，Mo等)氧化物，其中以改性Mo/HZSM-5最佳。在常壓、800℃以上進行反應，轉化率可達到20%左右，但高溫下Mo易流失。國內(nèi)廈門大學提出W-Zn-H2SO4/HZSM-5催化劑，穩(wěn)定性有所提高，CH4轉化率可達23%以上，苯選擇性97%，未觀察到W的流失，且3h結炭量僅0.02%，明顯優(yōu)于迄今國內(nèi)外的報告。4.3甲烷直接部分氧化制甲醛/甲醇在壓力4.9～9.8MPa、溫度320～400℃、空速15000～25000h-1下甲烷直接氧化，其轉化率可達10%，選擇性可達60%～90%，收率可達4%。俄羅斯在均相氧化的基礎上，開發(fā)了CPO工藝，在邊遠天然氣氣田使用。國內(nèi)利用膜分離技術進行研究，也進行了多相催化劑的研究。4.4用等離子技術加工甲烷由于甲烷結構的穩(wěn)定性，為了獲取各種化合物，采用等離子技術是一種方法。早期用等離子體制乙炔和炭黑，近年來研究用非平衡等離子體使甲烷氧化制甲醛，CH4/O2比1.4左右，7×10-1mmHg真空下，甲烷轉化率可達30%，甲醛選擇性達80%，甲酸+甲醛總選擇性>97%。利用輝光放電等離子體法從甲烷制取類金剛石膜，采用頻率為13.56MHz的射頻電源，平行板電極，在功率為80～120W、電壓為100～300V、真空度1～10Pa下，炭沉積速率達50～10.0nm/min。用冷等離子體使甲烷脫氫偶聯(lián)制C2烴，轉化率可以達到18%，生成C2烴（乙烷、乙炔、乙烯）選擇性大于60%。4.4甲烷直接轉化制甲醇美國加利福尼亞州的長塔利蒂卡新技術公司和丹麥技術大學都報告了甲烷有選擇性地氧化甲醇的高效催化劑，這樣的催化劑被美國著名權威刊物《Chemical&EngineeringNews》在1993年列為世界上催化劑研究的十大挑戰(zhàn)難題。與現(xiàn)有的甲醇生產(chǎn)方法相比，直接法具有明顯的優(yōu)勢：(1)反應條件更溫和，壓力2～4MPa，溫度<200℃；(2)原料天然氣不需脫硫，單程轉化率>98%，原料氣消耗低(720～750m3/t)；(3)建廠投資降低約30%。4.5其他處于探索階段的技術包括甲烷無氧催化轉化制高級烷烴、甲烷直接合成萘、甲烷羰基化、甲烷直接轉化制乙醇、甲烷低溫氧化制甲酸、甲烷催化分解制碳纖維等。5.結束語總之，現(xiàn)在越來越多的人意識到天然氣化工的重要性，油氣并舉甚至以天然氣為主的思想正逐漸被人們所接受。開發(fā)利用天然氣是國民經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的重要動力。我國天然氣資源比較豐富，具備較好的資源基礎，潛力巨大，前景廣闊。在天然氣化工發(fā)展的初期，國家應綜合平衡天然氣的供氣量、供氣價格，使天然氣用戶能保本微利，以促進天然氣化工企業(yè)的良性發(fā)展。參考文獻【1】劉小鴻，等．渤中3—2邊際小汕氣田開發(fā)策略研究2010，30（1）?！?】余黎明。中國天然氣化工產(chǎn)業(yè)資源利用的前景分析。中商情報網(wǎng)。【3】王春風。天然氣利用現(xiàn)狀及發(fā)展前景。管理觀察。2010，6【4】周正明。碳一化學和天然氣化工發(fā)展趨勢和最新進展。西南化工研究設計院(成都610225)。

電化學技術在新能源中的利用一.能源的概況1.能源的重要性1.能源的重要性自古以來,人類就為改善生存條件和促進社會經(jīng)濟的發(fā)展而不停地進行奮斗.在這一過程中,能源一直扮演著重要的角色.從世界經(jīng)濟發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀來看,能源問題已成為社會經(jīng)濟發(fā)展中一個具有戰(zhàn)略意義的問題,能源的消耗水平已成為衡量一個國家國民經(jīng)濟發(fā)展和人民生活水平的重要標志,能源問題對社會經(jīng)濟發(fā)展起著決定性的作用.2.能源的種類2.能源的種類大自然賦予人類的能源是多種多樣的,一般可分為常規(guī)能源和新能源兩大類.常規(guī)能源包括煤炭,石油,天然氣和水能,而新能源有生物質(zhì)能,核能,風能,地熱能,海洋能,太陽能和氫能等.其中煤炭,石油,天然氣被成為化石能源,水能,生物質(zhì)能,風能,太陽能和氫能等是可再生能源.3.化石能源的問題(1)化石能源的短缺化石能源的短缺能源是人類賴以生存和社會發(fā)展的重要物質(zhì)基礎,是國民經(jīng)濟發(fā)展的命脈,但目前主要使用的化石能源的儲量不多.據(jù)2002年世界探明的化石能源的儲量和使用量統(tǒng)計,世界上煤,石油和天然氣的儲采比分別為204,40和60年,中國的情況更為嚴峻,據(jù)2002年統(tǒng)計,中國煤,石油和天然氣的儲采比只有82,15和46年.這表明在人類歷史的長河中,只有很短的一段時間能使用化石能源.隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)高速增長,對能源的需求也持續(xù)攀升.我國一次能源消費總量從1978年的5.3億噸標準煤,上升到2002年的14.3億噸.據(jù)估計,我國在2004,2020和2050年的石油消費量達3,4.5和6億噸,其中進口量分別為1,2.7和4億噸.4億噸的進口量相當于目前美國的石油進口量,這不但會制約我國經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展,而且對國家的安全也十分不利.(2)化石燃料造成嚴重環(huán)境污染和氣候異?；剂显斐蓢乐丨h(huán)境污染和氣候異?；剂系氖褂靡鸬沫h(huán)境污染,排放的CO2會造成溫室效應,使全球氣候變暖.有關機構已向聯(lián)合國發(fā)出警告,如再不對CO2的排放采取嚴厲措施,在10年內(nèi),世界的氣候?qū)a(chǎn)生不可逆轉的變化.我國的環(huán)境污染問題更是日趨嚴重,目前,我國CO2排放量占世界總排放量的14%,在美國之后位居第二,估計到2025年,將位居第一.在本世紀初聯(lián)合國關于環(huán)境污染的調(diào)查中,發(fā)現(xiàn)在世界上十個環(huán)境污染最嚴重的城市中,七個在中國.它們是太原,北京,烏魯木齊,蘭州,重慶,濟南和石家莊.4.21世紀世界能源發(fā)展趨勢世紀世界能源發(fā)展趨勢(1)節(jié)能技術將備受重視節(jié)能技術將備受重視節(jié)能就是提高能源利用率,減少能源的浪費.目前節(jié)能技術水平已是一個國家能源利用情況的綜合性指標,也是一個國家總體科學技術水平的重要標志.許多研究報告指出,依靠節(jié)能可以將能源需求量降低2530%.我國在能源利用方面的效率很低,我國的能耗很高,是世界平均水平的2倍,發(fā)達國家的5-10倍,因此更應重視節(jié)能技術,我國應該充分重視化石能源的高效利用.(2)世界能源系統(tǒng)將發(fā)生重大變革世界能源系統(tǒng)將發(fā)生重大變革據(jù)預測,20世紀形成的以化石燃料為主的世界能源系統(tǒng)將在21世紀轉換成以可再生能源為主的新的世界能源系統(tǒng).在20世紀末,化石燃料的使用量占了世界一次能源用量的89.5%.據(jù)世界能源委員會(WEC)和國際應用分析系統(tǒng)研究所的研究報告認為,在20世紀上半葉,化石燃料仍將是世界一次能源的主體,但到21世紀下半葉,太陽能,生物質(zhì)能,風能等新能源將占世界能源的50%左右.(3)煤炭將作為過渡能源而受到重視煤炭將作為過渡能源而受到重視由于石油和天然氣的儲量較少,而煤炭儲量相對較多,因此煤炭將作為一種過渡能源而在21世紀上半葉受到重視.主要發(fā)展的技術是潔凈煤技術,煤液化和汽化技術.(4)新化石能源的開發(fā)將得到強化新化石能源的開發(fā)將得到強化近年來發(fā)現(xiàn),在海洋300米深處有甲烷水合物存在.目前,甲烷水合物的開發(fā)已經(jīng)受到特別的關注.據(jù)估計,世界甲烷水合物的儲量可能超過石油,天然氣和煤炭儲量的總和.因此,甲烷水合物作為儲量巨大的未開發(fā)能源開始受到世界各國的高度重視.(5)核能的利用將進一步得到重視核能的利用將進一步得到重視據(jù)國際原子能機構統(tǒng)計,在20世紀末,全世界運行的核電站有436座,總發(fā)電量為3.5億千瓦.這些電站主要分布在美,法,日,英,俄等31個國家,近年來,由于擔心核電站運轉的安全性,核廢料對環(huán)境的影響和核技術擴散對世界安全性的影響,核能的發(fā)展在發(fā)達國家已有下降趨勢,但在亞洲地區(qū)仍有強勁的增加趨勢,我國準備在今后幾年內(nèi)建造4座核電站.受控核聚變是一直受人們關心的技術,因為在海水中大約有23.4億萬噸氘,如受控核聚變技術在21世紀能得到應用,在21世紀末,核能可望占世界一次能源的30%左右.(6)可再生能源的開發(fā)將越來越受到重視可再生能源的開發(fā)將越來越受到重視鑒于化石燃料的短缺及化石燃料的使用引起嚴重的環(huán)境污染和氣候異常,人們對新能源的開發(fā)越來越重視.其中水力能,地熱能,海洋能和風能的可利用資源有限,因此,太陽能,生物質(zhì)能和氫能的利用將倍受關注.二.生物質(zhì)能的利用1.生物質(zhì)能的優(yōu)點.(1)生物質(zhì)來源豐富地球上每年生長的生物質(zhì)總量約14001800億噸,相當于目前世界總能耗的10倍,我國的生物質(zhì)能也極為豐富,可作為能源開發(fā)的生物質(zhì)能總量可達4.5億噸標準煤.加上生物質(zhì)能可再生.因此,生物質(zhì)能的高效,規(guī)模化利用可有效緩解世界能源供需矛盾.(2)生物質(zhì)能可多途徑利用(a)直接燃燒.其熱能和蒸汽可發(fā)電,技術成熟,但效率低.(b)生物轉化.包括制沼氣和水解發(fā)酵制取醇類.生物質(zhì)制甲醇和乙醇技術基本成熟,但生產(chǎn)成本較高.生物質(zhì)制沼氣技術相當成熟.2002年全國已建1300多萬個沼氣池.(c)光熱轉化.通過氣化,裂解,光催化等技術,獲得氣,液體燃料來發(fā)電.(d)生物柴油.從油料植物提取植物油,經(jīng)甲酯化得生物柴油.它有含氧高,含硫低,分解性能好,燃燒效率高等優(yōu)點.(3)生物質(zhì)能利用的環(huán)境污染少由于生物質(zhì)利用過程中釋放的CO2是其生長過程通過光合作用從環(huán)境吸收的,所以生物質(zhì)能的利用過程不排放額外的CO2,而對環(huán)境污染少.生物質(zhì)能的利用還能降低污染.如可利用生物質(zhì)熱解汽化技術處理生活垃圾等,可得到以甲烷為主的燃氣,實現(xiàn)垃圾的減量化,無害化,資源化.2.生物質(zhì)能利用的問題2.生物質(zhì)能利用的問題生物質(zhì)能利用的缺點主要是生物質(zhì)分布廣,大面積收集成本高,經(jīng)濟的收集半徑在50公里以內(nèi),只適合建立小型,分散的生物質(zhì)能利用系統(tǒng).而小型轉換系統(tǒng)的效率低,不提高生物質(zhì)能的利用效率就不能獲得好的經(jīng)濟效益,這是生物質(zhì)能至今未能實現(xiàn)規(guī)?；瘧玫年P鍵問題之一.因此,如何在小型,分散體系實現(xiàn)能量的高效,清潔及規(guī)?；檬瞧惹行枰鉀Q的問題.三.太陽能的利用1.太陽能的優(yōu)點太陽能的優(yōu)點(1)太陽能來源豐富太陽能來源豐富太陽能來源豐富是眾所周知的,這似乎是一種用之不絕,取之不盡的能源.太陽內(nèi)部不停地進行熱核反應,釋放出巨大的能量,輻射到地球上的能量只占起輻射總能量的極小部分,約1/22億,但地球每年接收的太陽能至少有6×1017千瓦小時,相當于74萬噸標準煤的能量.其中被植物吸收的僅占0.015%.可見,開發(fā)太陽能利用的潛力很大.(2)太陽能的使用沒有污染問題太陽能的使用沒有污染問題這也是眾所周知的,太陽能的使用基本上沒有污染問題.(3)太陽能可多途徑利用太陽能可多途徑利用(a)太陽能的熱利用.如太陽能熱水器,太陽灶,太陽能蓄熱池發(fā)電等.(b)太陽能發(fā)電.如太陽能電池和光電池.(c)光催化和光電催化制氫.主要用這兩種技術從水或生物質(zhì)中制得氫氣.2.太陽能利用的概況太陽能利用的概況近年來,太陽能的利用發(fā)展很快,據(jù)1997年的數(shù)據(jù),全球太陽能發(fā)電量已達800兆瓦.到2000年,日本已有7萬個住宅用上太陽能電池,美國和歐盟計劃在2010年前安裝100萬套太陽能電池.特別是把太陽能電池與屋頂瓦結合成光電發(fā)電系統(tǒng),目前歐洲已有300套,年發(fā)電量為1億千瓦.這種系統(tǒng)不但可供應清潔能源,而且美觀耐用,壽命可達25年.太陽能的熱利用發(fā)展更快.特別在我國,太陽能熱水器的年產(chǎn)值已達60多億元,居世界首位.3.太陽能利用的問題太陽能利用的問題開發(fā)太陽能利用的主要問題是如何提高太陽能的轉換效率,其次是降低成本,這對我國特別重要,目前我國生產(chǎn)太陽能電池的能力已達幾百兆瓦,但由于價格高,基本上都銷往國外.第三,一些技術,如光催化和光電催化制氫技術還沒成熟,沒有達到實用化的階段,應該抓緊這方面的研究和發(fā)展.四.氫能的利用1.氫能的優(yōu)點氫能的優(yōu)點(1)氫是自然界儲量最豐富的元素.(2)氫是除核燃料外發(fā)熱量最大的燃料.(3)氫燃燒生成水,是世界上最清潔的燃料.(4)燃燒性能好,可燃范圍大,燃燒速度快.(5)氫可用多種方法大規(guī)模生產(chǎn).(6)氫的利用形式多,可通過燃燒發(fā)電,通過燃料電池發(fā)電等.2.對氫能利用的重視2002年加拿大舉辦了以"氫行星"為主題的第14屆世界氫能源大會.2003年在華盛頓召開15個國家和地區(qū)參加的"國際氫能經(jīng)濟合作伙伴"會議.冰島計劃用40年時間將冰島建成"氫社會".布什將投資120億美元來促進氫能源的發(fā)展.過去5年,工業(yè)化國家在氫能開發(fā)領域的投入年均遞增20.5%.氫將取代天然氣,油和煤而成為未來世界的主要能源,進入氫能時代已成為近年來的熱門話題,21世紀將是氫能世紀.布什舉著使用氫燃料的照相機我國對發(fā)展氫能經(jīng)濟也開始重視,參加了2003年在華盛頓召開的有15國家參加的"國際氫能經(jīng)濟合作伙伴"會議.2004和2005舉辦了兩次關于氫能經(jīng)濟的中美雙邊會議.今年一月,中國科學院院士局召開了關于"石油替代能源"的研討會,主要討論石油資源可持續(xù)性分析,石油的替代能源,氫能燃料和我國的石油替代能源.并要組織人員進行軟課題研究.3.氫能的問題3.氫能的問題(1)氫的價格氫的制備,儲存和運輸中的價格問題,是影響走進氫能時代的很關鍵的問題.要降低其價格,必須形成氫的制備,儲存和運輸?shù)木W(wǎng)絡.(2)廉價清潔的制氫技術問題(2)廉價清潔的制氫技術問題目前制氫效率很低,氫的制取要消耗大量的能量,因此尋求大規(guī)模的廉價清潔的制氫技術是各國科學家共同關心的問題.(a)化石燃料制氫:目前,96%氫從化石燃料制備,技術成熟,但要造成環(huán)境污染.(b)電解水制氫:技術成熟,但耗能多,價格高.一般每生產(chǎn)1立方米的氫氣,需要消耗4.2-6度的電能,其能量轉化率不到32%.(c)生物質(zhì)制氫:有可再生,產(chǎn)量大,可儲存,碳循環(huán)等優(yōu)點,從中長期看是最有前途的制氫方式.目前生物質(zhì)制氫效率低.(d)生物制氫:國內(nèi)外在選育高效產(chǎn)氫菌株工作進展不快,制氫效率低.(e)風能制氫:用風能發(fā)電來電解水產(chǎn)生氫,技術上沒有問題,降低成本和風能發(fā)電量少是主要的問題.(f)太陽能制氫:該法還處在基礎研究階段,離商業(yè)化還有較遠的距離.(3)氫的儲運問題(3)氫的儲運問題氫的儲運技術主要解決儲運的安全性和成本,現(xiàn)在由于儲運技術不過關,因此浪費了許多氫.許多工業(yè)過程,如煉油,煉焦,氯堿,合成氨,合成甲醇及煤氣制造等多有大量的副產(chǎn)品氫氣,只是由于儲運技術的問題而不能被利用.我國每年放空和燒掉的氫氣至少在1010標立方米以上.因此解決氫的儲運問題也是走進氫能時代的一個很關鍵的問題.目前氫的儲運還有很大問題.(a)高壓儲氫:儲氫量少,只有1%左右,還有不安全的問題.(b)液氫儲氫:很不方便,儲氫設備大,蒸發(fā)損失大.(c)吸附儲氫:這是目前的研究熱點,但儲氫容量還較低,一般不超過2%.鎂合金儲氫在3%,但儲放不可逆.熱門一時的納米碳管儲氫也已沒有了希望,最終的儲氫量也只有1%左右.(e)化合物儲氫:放氫不容易.(4)燃料電池還沒有商品化用氫作燃料的燃料電池的出現(xiàn)是促進氫能利用的重要原因.近年來,由于化石燃料資源短缺和環(huán)境污染日趨嚴重,各國對燃料電池的研究十分重視.美國《時代周刊》把燃料電池列為21世紀十大高新科技之首,燃料電池已被認為是21世紀極具應用前景的一種新型能源系統(tǒng).雖然燃料電池有很誘人的優(yōu)點,而且燃料電池的發(fā)展已有100多年的歷史,但至今還沒有一種燃料電池已經(jīng)真正商品化,因此,燃料電池何時才能商品化是一個與氫能利用密切相關的問題.4.反對氫能的意見4.反對氫能的意見(a)氫以化合物形式存在,制氫要消耗能源.它不是一種能源,而是能源的流通手段.(b)氫的泄漏會改變氣候.氫不可避免泄漏,泄漏量可達15%.泄漏的氫會在大氣形成水霧,它會象二氧化碳一樣,使天氣變暖.(c)現(xiàn)在一般用高壓氫作燃料電池燃料,氫的泄漏會產(chǎn)生很大的不安全性,手機等的火花就會使泄漏的氫發(fā)生爆炸.(d)冰島能做的,其他國家不一定能做,冰島的氫都是電解水制得的,因該國70%的電是由地熱和水電站產(chǎn)生的.(5)氫的清潔生產(chǎn)要用風能和太陽能.據(jù)估計,如用風能發(fā)電制氫,當風能發(fā)電量達到美國6%的用電量,風能發(fā)電機要占的面積要有半個加州那么大.(6)布什承諾投資120億美元用于氫能的研究是一個微不足道的投資.美國去年用于核能和礦物質(zhì)燃料方面的研究經(jīng)費大于氫燃料的研究經(jīng)費.美國推行"健康婚姻"的預算就有150億美元.美國用于伊拉克戰(zhàn)爭的經(jīng)費每月390億美元.(7)氫燃料電池價格昂貴.目前內(nèi)燃機成本為每千瓦50美元,而氫燃料電池為800美元.估計大量使用后,也要300美元.另外所有的加油站改成加氫站也要花費大量的資金.五.燃料電池加速氫能利用1.燃料電池的優(yōu)點.(1)燃料電池是一種高效清潔的能量轉換系統(tǒng),可降低環(huán)境污染和氣候異常.(2)燃料電池能高效利用生物質(zhì)轉化產(chǎn)生的氣,液物質(zhì)和氫作燃料,因此,能促進氫能的利用.(3)燃料電池的發(fā)電效率不受體系規(guī)模限制,小型燃料電池同樣能夠?qū)崿F(xiàn)高效發(fā)電,適合于生物質(zhì)分散性的特點.2.燃料電池定義燃料電池是一種不經(jīng)燃燒直接以電化學反應的方式將燃料的化學能轉變成電能的裝置,只要連續(xù)供應燃料,燃料電池就能連續(xù)發(fā)電.3.原理陽極反應:H2=2H++2e陰極反應:1/2O2+2H++2e=H2O總的反應:H2+1/2O2=H2O4.燃料電池分類堿性燃料電池(AFC)(1)堿性燃料電池(AFC)陽極:催化劑:Pt,燃料:氫陰極:催化劑:Ag,氧化劑:氧電解液:30%KOH隔膜:石棉膜工作溫度:60-80oC用途:航天器和潛艇的動力源優(yōu)點:比能量和比功率高缺點:對CO2敏感,不宜地面使用(2)磷酸燃料電池(PAFC)磷酸燃料電池(PAFC)陽極:催化劑:Pt,燃料:氫陰極:催化劑:Pt,氧化劑:氧電解液:98%磷酸工作溫度:200oC用途:家庭住宅能源和汽車動力源優(yōu)點:穩(wěn)定性好,已有商品生產(chǎn)缺點:用貴金屬作催化劑,價格高.(3)質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)陽極:催化劑:Pt,燃料:氫陰極:催化劑:Pt,氧化劑:氧電解液:含水的質(zhì)子交換膜工作溫度:60-80oC用途:汽車和潛艇等的動力源優(yōu)點:比能量和比功率高,壽命長,應用范圍廣缺點:對CO敏感,價格高,800美元/千瓦,而內(nèi)燃機50美元/千瓦.氫源問題.(4)直接甲醇燃料電池(DMFC)直接甲醇燃料電池(DMFC)陽極:催化劑:Pt合金,燃料:氫陰極:催化劑:Pt,氧化劑:氧電解液:含硫酸的質(zhì)子交換膜工作溫度:60-80oC用途:可移動的小型電子儀器設備動力源優(yōu)點:比能量高,體積小問題:Pt對甲醇氧化電催化效率低,易被甲醇氧化中間產(chǎn)物毒化,甲醇會透過質(zhì)子交換膜.(5)熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)陽極:催化劑:Ni,燃料:氫陰極:催化劑:NiO,氧化劑:氧電解液:熔融碳酸鹽(NaCO3-LiCO3)工作溫度:600oC用途:發(fā)電站優(yōu)點:反應溫度高,不需貴金屬催化劑.可用含CO的燃料氣.壽命長.能量轉換率高,可達80%.問題:高溫下,電解液會腐蝕電極材料.壽命2萬小時,商業(yè)上要4萬小時.(6)固體氧化物燃料電池(SOFC)固體氧化物燃料電池(SOFC)陽極:催化劑:NiZrO2,燃料:甲烷,氫陰極:催化劑:NaCrO4等,氧化劑:氧電解液:ZrO2,CeO2等工作溫度:900oC用途:發(fā)電站優(yōu)點:不需貴金屬催化劑.壽命長.可用各種燃料氣.抗中毒能力強.能量轉換率最高,可達80%以上.問題:高溫下,密封困難,放大困難.價格高.5.PEMFC發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)展現(xiàn)狀(1)世界各國對世界各國對PEMFC的重視世界各國對的重視近十年來,近十年來,PEMFC技術的研究開發(fā)受到技術的研究開發(fā)受到許多國家的政府和跨國大公司的極大重視,許多國家的政府和跨國大公司的極大重視,已出現(xiàn)許多PEMFC電動車樣車.電動車樣車.已出現(xiàn)許多電動車樣車我國計劃,年奧運會期間,我國計劃,到2008年奧運會期間,將有我年奧運會期間國生產(chǎn)的燃料電池電動車會小批量,國生產(chǎn)的燃料電池電動車會小批量,示范性地行駛在街頭.性地行駛在街頭.年世博會期間,輛燃料電池公交到2010年世博會期間,20輛燃料電池公交年世博會期間輛燃料電池出租車,車,300輛燃料電池出租車,1000輛電動輛燃料電池出租車輛電動汽車以及一批燃料電池場地車和郵政車都將投入運行,屆時,上海將建成5座加氫將投入運行,屆時,上海將建成座加氫站來滿足這些車輛對氫燃料的需求對氫燃料的需求.站來滿足這些車輛對氫燃料的需求.(2)PEMFC商業(yè)化的問題商業(yè)化的問題(a)價格問題價格問題美國能源部認為,汽車用PEMFC的最終的價格達到$50-100/kW時,才能有競爭能力,因為現(xiàn)在內(nèi)燃機的價格為$50/kW左右,而現(xiàn)在PEMFC的價格在$800/kW左右.在現(xiàn)在技術的基礎上,即使PEMFC